梁 朔，高立克，楊藝云，肖園園，肖 靜
（廣西電網有限責任公司電力科學研究院， 廣西 南寧 530023）
摘 要： 分布式電源接入將導致配電網故障電流的變化，直接影響過電流保護動作的靈敏性。針對這一問題，本文首先分析了配電網保護自動化原理，并討論了高滲透率下的分布式電源對配電網過電流保護的影響；其次，研究設計了一種針對輻射狀配電網分布式電源接入的過電流保護改造策略，在滿足保護效果的基礎上將對現有保護配置的改動最小化，以適應分布式電源的大規模接入。最后，通過某地區10 kV中壓配電網仿真算例，驗證了本文所提改造策略的可行性。
關鍵詞： 分布式電源；配電網；過電流保護；改造策略
0 引言
配電網中光伏、風電等分布式電源(Distributed Generation,DG)的大規模接入，將引起電網潮流和故障特征量的變化，對系統故障電流起到助增或分流作用，進而導致流過保護裝置的故障電流可能增大或減小，使配電網保護的選擇性與靈敏度受到影響。因此，傳統配電網的繼電保護和自動裝置將難以滿足安全運行的要求[1-3]。針對DG接入后導致配電網故障電流分布特征改變所帶來的問題，解決思路包括加裝方向元件、加強保護定值整定[4]、采用差動保護[5]等，以保證DG接入后保護仍然能夠快速可靠動作。
文獻[6]提出通過安裝相鄰線路故障分量電流做極化量的方向元件、不需要電壓信息的方案，但僅靠這種配置很難全面適應DG在不同運行方式下配電網發生故障的情況；文獻[7]設計了一種基于故障限流器（FCL）的含分布式電源的配電網保護策略，但FCL本身是一種仍需進行廣泛測試的設備，且當分布式電源類型較多、滲透率較高時，FCL的定址與阻抗選擇還需進行大量的基礎研究工作；文獻[8]分析了具有LVRT能力的光伏電站故障特性，研究了逆變器與輸電網的保護協調配合問題，但小容量的PV系統不具備LVRT能力，需要對出力特性作更深入的研究。
考慮到目前已有研究工作中存在部分保護方案對原系統的改動較大、待驗證的新技術較多等問題，本文設計了一種分布式電源接入典型中壓配電網時的保護設置與配合策略，能更有效地解決在故障發生時，尤其是極端故障下重合閘快速動作與熔斷器動作的配合問題，且對現有設備改造與新設備安裝的投入較少。結合廣西某供電局某10 kV配電網饋線支路實例，在DIgSILENT-PowerFactory軟件中進行仿真測試，證明本文所提方法能有效解決分布式電源接入配電網的過電流保護問題。
1 分布式電源接入對配電網保護的影響研究
1.1 饋線自動化的保護配合原理
目前的中壓配電網保護裝置主要以適應于單端電源輻射狀供電結構的過電流保護為主，如圖1所示，當線路發生故障時，只有系統側電源向故障點提供故障電流。因此，配電網中的繼電保護裝置設在線路系統側，具有電流三段式保護、自動重合閘、熔斷器等裝置，以不同動作定值和動作時間的配合實現，且一般能在很短周期內快速準確地切除故障。
饋線自動化是基于重合閘、分段器、熔斷器等開關設備的相互配合，假設圖1中饋線與支路均為三相，饋線始端安裝三相重合閘，支路分別由單相熔斷器保護各相。IREC和IF2分別表示通過重合閘和熔斷器2的電流，都與配電變壓器電流IT相關，IREC的值大于IF2。重合閘是熔斷器2的后備保護，熔斷器是一次性裝置，一旦動作，需替換才能重新投用。
重合閘與熔斷器的動作特性配合如圖2所示。
重合閘的快速動作時間-電流(t-I)特性曲線A一般只有一條，慢速動作t-I特性曲線B可以通過改變電路元件參數和軟件程序來改變。曲線MM和MC分別為熔斷器的最小熔斷和最大清除曲線。點i、j分別為重合器與熔斷器的最大和最小配合點，重合器與熔斷器都能配合發生在兩點之間的所有電流值。過電流保護的啟動電流按避開最大負荷電流來整定，基于此，可以根據事故發生后的整定動作順序進行重合閘的循環操作[9]。以圖1中支路2發生永久故障為例，為盡量減少熔斷器消耗，重合閘的操作順序整定為“一快二慢”，即A-B-B。圖2表明，為實現與切斷永久性故障的動作相互配合，熔斷器2的熔化時間t(IF2)小于重合閘的慢速動作時間t(IREC B-B)。
1.2 分布式電源接入引起的保護配合問題
DG在配電網中的滲透率不斷提高，將使傳統配電網的結構逐漸向雙端電源結構改變，若圖1的支路1處接有DG，當DG出力較大時，可能會造成配電變壓器至支路1之間的潮流反向，導致常規的無方向性電流保護誤動。
即使潮流方向不受影響，當發生短路故障時，含DG接入的配電網故障電流也發生了變化，如當支路2發生短路故障時，DG的接入提供了助增電流，熔斷器F1可能會誤動，隔離無故障支路。
此外，DG的接入使得重合閘等自動化裝置的保護時間配合受到影響。對于支路2瞬時性短路故障，在重合閘快速動作前，熔斷器F2已開始產生機械疲勞，甚至熔斷。圖2中，IREC與IF2對應的時間點將發生變化，仍位于重合器與熔斷器的最大和最小配合點之間，但熔斷器2的熔化時間t(IF2)小于重合閘的快速動作時間t(IREC A)，將造成瞬時故障演變為永久性故障，分布式電源所在支路解列，需更換熔斷器后才能恢復并網運行。
在現有條件下，大面積更換已有的配電網繼電保護裝置不具可操作性。因此，需通過研究適當的技術手段與協調配合策略，使DG接入對配電網繼電保護的影響降到最小，實現保護層面的“即插即用”。
2 配電網保護配置設計與配合策略
2.1 分布式電源接入輻射狀配電網的保護配置
考慮分布式滲透率較高的情況，設計一種DG接入輻射狀配電網的保護配置與配合方案，在保證保護效果的基礎上盡量減小對當前保護配置的改動。DG接入點所在支路上，以三相一次快速自動重合閘R1代替傳統的三個單相熔斷器F1，在接入點的支路末端安裝繼電器RDG，并在分布式電源的變壓器一、二次側安裝差動保護，如圖3所示。
一次快速自動重合閘R1配置為在閉鎖前首先進行A-B順序整定，以使分布式電源在饋線故障時不會立即斷開，相應地增加了饋線可靠性。饋線重合閘R的延時動作可能造成非計劃出現的孤島運行狀態[10]，出現電壓以及頻率不穩定等問題，導致分布式電源與饋線的運行狀態不同步。此時，繼電器RDG防止分布式電源所在線路的解列運行、減少DG重新并網的控制工作量，避免分布式電源與饋線的安全穩定運行受到危害。在分布式電源與變壓器單元加裝的差動保護裝置能隔離一、二次側的故障，提供后備保護。
2.2 保護設備的協調配合策略
通過保護裝置與饋線重合閘的協調配合，能更好地發揮已安裝保護的效果。以故障發生在饋線為例，饋線重合閘R、支路重合閘R1和分布式電源繼電器RDG分別動作，實現故障的清除和隔離。圖4中，縱坐標0和1分別表示保護位于開和關狀態，橫坐標表示保護快速動作的時刻。當發生瞬時故障時，饋線重合閘R與支路重合閘R1快速動作，開關時刻分別在圖4中用點1和2、1和3表示，此時RDG保持閉合狀態；若發生永久故障，RDG工作在點4的位置，在饋線重合閘R首次慢速動作（點5）前隔離分布式電源，避免發生分布式電源的長期非計劃孤島運行。
當在無分布式電源接入的支路發生故障時，支路重合閘R1與饋線重合閘R快速動作，配合策略分別如圖5中的點1和3、2和4所示，點5表示故障是永久性的、熔斷器F2動作，此時，饋線重合閘R是隔離故障的后備保護。若故障發生在分布式電源接入的支路，支路重合閘R1僅工作在慢速曲線上，永久性故障則與繼電器RDG配合，隔離故障支路。當分布式電源發生故障時，差動保護響應，無延時地切除分布式電源故障。
3 算例分析
本文以廣西某10 kV配電網為算例，分析DG接入配電網對繼電保護的影響及其配置方案。本算例使用DIgSILENT-PowerFactory軟件對配電網保護方案進行整定計算。仿真系統結構如圖6所示。
該測試系統具體參數如下：系統基準容量為100 MVA，基準電壓10.5 kV，中性點不接地，系統等效阻抗ZS=0.13+j0.06 Ω；配電線路1-2，2-3，3-4的長度分別為2 km，10 km，7.5 km，其中線路1-2型號為JKLYJ-95，Z1=0.317+j0.122 Ω/km，其余線路型號為LGJ-50，Z2=Z3=0.383+j0.135 Ω/km；LR1、LR2、LR3為公變負荷，額定容量分別為0.575 MVA、0.69 MVA、1.415 MVA，功率因數取0.95；LC2、LC3、LC4為專線負荷，額定容量分別為0.11 MVA、0.05 MVA、0.03 MVA，功率因數取0.8。
3.1 保護整定
該10 kV配電線路主饋線與各支路上均設有電流熔斷器保護，各級熔斷器按文獻[11]所述方法進行整定。主饋線熔斷器熔體額定電流IFuse應不小于系統最大運行方式下流過各條線路的電流Imax；各專線支路接有多臺抽水電動機，在夏季豐水期電動機頻繁啟動抽水，專線熔斷器額定電流還應躲過發電機啟動時的最大電流值Ip，由于最大電流持續時間很短，而熔斷器熔斷需要一定的時間，因此專線熔斷器額定電流Ifuse≥K·Ip，該算例中K取1.02。系統最大運行方式下流過主饋線K1、K2、K3的電流與最大/最小三相短路電流見表1。
考慮到熔斷器熔斷誤差的特性較大，為保證前后熔斷器的選擇性配合，靠近故障點的熔斷器最先斷開，前一級熔斷器動作時間不小于下一級熔斷器動作時間。若主饋線4號節點發生三相短路故障，主饋線短路電流Iks=1 628.573 A，主饋線上各級熔斷器最小熔斷電流應滿足tK1>3tK2，tK2>3tK3。主饋線熔斷器K1、K2、K3的t-I特性曲線如圖7所示。
3.2 分布式電源接入的保護配置
在LR3支路上接入額定容量為0.25 MVA、功率因數為1的DG。目前DG大部分是通過逆變器并網，根據文獻[12]所述，逆變型DG在系統發生短路故障時，其輸出電流變化不大，因此本文將其等效為恒定電流源進行仿真計算。按本文所研究的方法，對接入DG的配電網支路進行保護配置改造，針對不同故障進行仿真驗證。分析當分布式電源運行在額定功率下，主饋線與支路發生不同類型的短路故障時，分布式電源出力對配電網過電流保護的影響，其保護動作結果如表2所示。
由表2可以看出，逆變型DG接入配電網后，為減小分布式電源對原配電網過電流保護動作靈敏度的影響，需要多個保護之間相互配合，保護動作相比原配電網更加復雜，以提高配電網中分布式電源的接入容量。
4 結論
本文結合輻射式配電網過流保護的特點，分析了分布式電源接入對現有配電網保護的影響。基于此，本文研究設計了一種針對分布式電源接入配電網的過電流保護配置方法，在減少對當前配電網保護配置改造量及新設備投入量的同時，有效地解決了故障時重合閘快速動作與熔斷器動作的配合問題，提高了配電網供電可靠性；通過仿真手段，利用廣西某接入逆變型分布式電源的10 kV配電網實際算例驗證了本文所提方法的可行性。
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